立式鉆床主軸系統(tǒng)數(shù)控改造的設計

1、摘要目前中國企業(yè)中機床設備老化，不能滿足新技術、新工藝的生產(chǎn)要求。本文Z5140A現(xiàn)有的數(shù)控技術相結合，使其具有自動進給功能，為企業(yè)進行設備的數(shù)控化改造提供了一種有效可行的途徑?，F(xiàn)有的Z5140A并提高了生產(chǎn)率。本論文說明了普通鉆床的數(shù)控化改造的設計過程，較詳盡地介Z5140A通過該改造計劃,改造后的 Z5140A 型鉆床具備數(shù)控機床的精度要求，自動化柔性生產(chǎn)的能力。機床整體能力達到預期的要求。Z5140A 數(shù)控鉆床主要用于加工各種孔及平面和曲面的銑削。它集中了立式鉆床和銑床的功能。數(shù)控鉆床需要很少人工操作，也沒有機械操作元件如手柄、搖把等。該鉆床如同其他 CNC 鉆床， 全部工作循環(huán)是在微機

2、數(shù)控系統(tǒng)控制下實現(xiàn)的。車削對象改變后，只需改變相應的軟件就可適應新的需要。由于利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。關鍵詞：數(shù)控機床；滾珠絲杠；數(shù)控系統(tǒng)- - PAGE 17 -AbstractAt present,Machine tools made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. T

3、his paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipments transformation withNC.Exist

4、ing Z5140-type drill press improves the machining expands the scopeofmachineuseandincreasestheproductivityaftertransformation.Thispaper describes the design process of the transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the mechanical transmission part and numerical control

5、system part in detail.After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for process

6、ing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling

7、machine, all of thecyclicwork is completed under the control of the computer numerical control system.As turning object changes, just change the corresponding software to adapt to new needs. Because lathebed, column and other basic items are heavy and casting equipments but not the welded components

8、, machine tools transformed has higher performance and better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the original, it can not be transformed revolutionarily.Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System目 錄摘要-1-Abst

9、ract - 2-16 -1.1 立式鉆床的概述. - 6-1.2 數(shù)控立式鉆床的發(fā)展61.3 立式鉆床數(shù)控化改造的市場81.3.1 機床數(shù)控化改造的市場81.3.2立式鉆床簡介91.4 床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 - 10 -1.4.1 數(shù)控化改造的內(nèi)容 - 10 -1.4.2 立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點112122.1 立式鉆床數(shù)控化改造設計任務122.2 總體方案的確定 - 13 -2.2.1 Z 向步進電機與進給滾珠絲杠的聯(lián)結 - 13 -2.2.2傳動形式的選擇152.2.3滾珠絲杠副的參數(shù)162.2.4 滾珠絲杠副的組成及特點172.2.5 滾珠絲杠副的典型結構類型172.2.6

10、滾珠絲杠的支撐形式選擇192.3 Z向進給滾珠絲杠副的計算與校核 - 22 -2.3.1主軸鉆削力計算222.3.2滾珠絲杠副的選擇計算232.3.3選擇步進電動機262.4 電主軸選用、冷卻與潤滑 - 30 -2.4.1電主軸的概述302.4.2電主軸的冷卻與潤滑332.4.3電主軸的選用353373.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖37機床硬件電路有以下幾部分組成. - 38-3.2 MCS-51 單片機簡介 - 38 -3.2.18031單片機的基本特性383.2.28031芯片引腳及其功能介紹403.3存儲器擴展電路設計423.3.1程序存儲器的擴展423.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴展443.3

11、.3譯碼電路設計453.4 /接口擴展電路設計 - 45 -3.4.18155通用可編程接口芯片453.4.2 8255 可編程接器芯片 - 47 -3.4.3 8255 的結構 - 48 -3.5 其它輔助電路設計493.5.18031的時鐘電路493.5.2 越界報警和急停處理電路493.5.3 復位電路 - 49 -3.5.4掉電保護電路503.5.5鍵盤顯示接口電路504結論 - 51 致謝錯誤！未定義書簽參 考 文 獻 - 53 -1 緒論立式鉆床的概述立式鉆床，是主軸豎直布置且中心位置固定的鉆床，簡稱立鉆，它主要分為方柱立鉆和圓柱立鉆兩種。也分為排式立鉆，多軸立式鉆床，坐標立式鉆床

12、，轉塔立式鉆等。立式鉆床的工作臺和主軸箱可沿立柱導軌調(diào)整位置，以適應不同高度的工件。在加工工件前要調(diào)整工件在工作臺上的位置，使被加工孔中心線對準刀具軸線。加工時，工件固定不動，主軸在套筒中旋轉并與套筒一起作軸向進給。由于立式鉆床的主軸不能在垂直其軸線的平面內(nèi)移動，轉孔時要使鉆頭與工件孔的中心重合，就必須移動工件。因此，立式鉆床只適合加工中小型工件，常用在機械制造和修配工廠加工中、小型工件的孔。數(shù)控立式鉆床的發(fā)展隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化的需要，各種自動化生產(chǎn)設備應用而生， 鉆床廣泛地在我國紡織機械、石油機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療器械、航空航天、汽車拖拉機、橡塑模具以及發(fā)電機制造、機床制

13、造等行業(yè)有關零件的鉆孔加工得到應用。 在很早以前，國內(nèi)外就已經(jīng)開始進行機床設備的整修和技術的改造，不斷提升機床的品質(zhì)，不斷改進機床的性能，以提高生產(chǎn)效率。近些年來為了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或與加工零件中心線成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各個國家而專門開發(fā)研制多種專用深孔鉆床。例如專門為了加工曲軸上的油孔，連桿上的斜油孔，平行孔和飼料機BW200-KWBW250-KWX、Y、Z、W要,在一條生產(chǎn)線上可以加工多種不同品種的曲軸油孔，于 2000 年設計制造了第212MOLLART 公司生產(chǎn)制造的專為加工顆粒擠出模具而開發(fā)的具有六等分六根主軸同時加工同一工件上六個孔的專用深孔

14、鉆床。該工件孔數(shù)量多達36000 個。全都是數(shù)控系統(tǒng)控制的。隨著家電市場銷售量增大，塑料制品增長速度加快，塑料模具制造業(yè)蓬勃發(fā)展，深孔鉆床為了滿足模具上的水孔、射銷孔等孔系的深孔加工。由過去的單一座標軸的深孔鉆床加工發(fā)展到需要加工座標孔系的多孔加工而開發(fā)的三座標數(shù)控深孔鉆床近些年來發(fā)展很快。1995公司開發(fā)了我國第一臺為塑料模具上多孔系加工的 ZK2103 型三座標數(shù)控深孔鉆床，為了滿足模具制造業(yè)發(fā)展的需要，又開發(fā)了除了鉆削深孔以外，還可以進行ZXK2103ZK2103AZKA2102深孔鉆床。隨著科學技術的不斷發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復雜，改型也日益頻繁，對機床的性能、精度、自動化程度等提出

15、了越來越高的要求。機械加工工藝過程自動化是實現(xiàn)上述要求的重要技術措施之一，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，還能改善工人的勞動條件。為此，許多企業(yè)采用自動機床、組合機床和專用機床組成自動或半自動生產(chǎn)線。但是，采用這種自動、高效的設備，需要很大的初期投資以及較長的生產(chǎn)準備周期，只有在大批量的生產(chǎn)條件（如汽車、拖拉機、家用電器等工業(yè)主要零件的生產(chǎn)）下，電子電器才會有顯著的經(jīng)濟效益。立式鉆床數(shù)控化改造的市場機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微型計算機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預訂的加工工藝目標。數(shù)控機床是綜合了微電子、自動控制、自動檢測等先進技術的新型機床，適宜加工單

16、件或小批量、高精度、品種多、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，所以能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。勞動量大大減少，降低了工人的勞動強度。雖然數(shù)控機床的優(yōu)勢很大，但是對于制造企業(yè)，單純地靠購買數(shù)控機床來解決現(xiàn)狀，一方面需要大量的資金投人，另一方面，將原有的普通機床閑置，勢必造成一種浪費。眾所周知，制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動國家技術進步的中堅力量。我國制造業(yè)水平與西方發(fā)達國家相比，總體水平偏低，企業(yè)經(jīng)濟實力有待進一步提高。因此為了節(jié)約資金、降低成本，在原來普通機床的基礎上，進行數(shù)控化改造，是一種一舉兩得的有效途徑，既經(jīng)濟又

17、快捷.。機床數(shù)控化改造的市場40015.494100.60.818610/60以上）。裝備水平不高，更新速度低是制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要原因之一。我國大多數(shù)制造行業(yè)使用的裝10來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等缺點，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。Z5140A 鉆床（如圖 1.1）銷售的立式鉆床，具有精度高，剛性好，扭矩大，噪聲低，變速范圍廣等優(yōu)點， 操作集中，使用維修方便。機床具有攻絲自動反轉機構，主攻絲可實現(xiàn)自動正反轉，對于盲孔和定深孔攻絲極為方便。Z5140A圖 1.1Z51

18、40 立式鉆床床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點數(shù)控化改造的內(nèi)容立式鉆床數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：對立式鉆床精度的恢復以及對鉆床存在的故障部分進行診斷并恢復；數(shù)控化改造，在原立式鉆床上加數(shù)顯裝置，或數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床；行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系CNC立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點減少投資額、交貨期短同購置新機床相比，一般可以節(jié)省 6080的費用，改造費用低。只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限所利用的立式鉆床床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的鉆床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設備繼

19、續(xù)使用多年。但是受到原來立式鉆床機械結構的限制，不宜做突破性的改造。對設備掌握熟悉、便于操作維修購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉?？沙浞掷矛F(xiàn)有的條件可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。主傳動系統(tǒng)的設計珠絲杠副的計算與校核。然后根據(jù)設計任務、機床實際情況和要求提出幾個總體方案，進行綜合分析，比較和論證，最后選出一個合理的總體方案。立式鉆床數(shù)控化改造設計任務立式鉆床進給伺服系統(tǒng)設計計算：

20、此處為數(shù)控鉆床機械部分改造設計，包括脈沖當量的確定、滾珠絲杠螺母副的設計、進給伺服系統(tǒng)的傳動計算；伺服電機的計算和選用；設計并繪制床示意圖，還有數(shù)控化改造的裝配圖。技術要求：工作臺重量：80kg 工件最大重量機床定位精度: 0.01mm機床重復定位精度: 0.005mm 工作臺進給速度: 1400mm/min工作最快移動速度: Vmax 10m/minXYZ工作臺尺寸為d=20mm；f=0.3mm/s； L=1200mm步距角 =1.5；脈沖當量 =0.01mm/step；啟動加速時間 T=25ms。機床坐標設定XYZ總體方案的確定Z數(shù)控機床的進給機構，采用伺服電機或步進電機與滾珠絲桿連接。一

21、般采用連軸器直連，齒形同步帶連接或運用齒輪相連。在許多場合，因結構上的限制。特別是才用的伺服電機或混合式步進電機后，連軸器直連便成為電機與滾珠絲桿最為常見的的連接方法。由于數(shù)控機床進給機構速度快，如快進，快退的速度有是高速達 20M/MIN 以上，在整個過程中正反轉換頻繁。連軸器承受的瞬間沖擊較大，容易引起連軸器松動和扭轉，隨使用時間的增長，其松動和扭轉的情況加劇。實際加工時主要表現(xiàn)為各方向運動正常，編碼器反饋也正常，系統(tǒng)無報警，而運動卻始終無法與指令值相符，加工誤差越來越大，甚至造成加工零件的報廢。出現(xiàn)這種情況時，建議檢查一下連軸器。連軸器按結構可分為剛性連軸器和繞性連軸器兩種形式，可按其結

22、構分別加以處理。（1）剛性連軸器剛性連軸器目前主要采用連軸套和錐銷的連接方法，而且大多進給電機軸上都備有平鍵。這種連接經(jīng)過一段時間使用圓錐銷開始松動，鍵槽側面的間隙逐漸增大，有時甚至引起錐銷脫落，造成加工零件尺寸不穩(wěn)定，解決的方法有兩種：采用特制的小頭帶有螺紋的圓錐銷，用螺母加彈性墊片鎖緊，防止圓錐銷因快速轉換而引起的松動。該方法能很好的解決圓錐銷松動的問題。彈性銷具有一定的彈性，能分解部分平鍵承受的餓的扭矩。當然這種方法因圓錐銷小頭有螺母， 必須確保連軸器有一定的回轉空間。采用一大一小的彈性銷取代圓錐銷連接，這種方法雖沒有用圓錐銷的連接的精度高，但能很好的解決圓錐銷松動問題，彈性銷具有一定的

23、彈性，能分解部分平鍵的扭矩，而且結構緊湊，裝配也十分方便。經(jīng)在維修中應用，效果很好，但裝配時要注意，大小彈性要求互成 180 度裝配，否則會影響零件加工的精度。（2）繞性連軸器繞性連軸器是數(shù)控機床廣泛采用的連軸器，它能補償因同軸度及垂直度誤差引起的“干涉”現(xiàn)象。在結構容許的情況下，大部分數(shù)控機床的伺服進給機構都采用繞性連軸器。但繞性連軸器裝配是很難把握錐套的松緊，如果錐形套漲開后的摩擦力不足，就使絲桿軸頭與電機軸頭之間產(chǎn)生相對的滑移扭轉，造成數(shù)控機床工作運行中，被加工零件的尺寸呈現(xiàn)有規(guī)律的逐漸變化（有大變小或由小變大，每次的變化基本是恒定的。如果調(diào)整機床快速移動速度后，這個變化量也會起變化，此

24、時 CNC 系統(tǒng)并不報警，因為電機轉動是正常的。一旦機床出現(xiàn)這種情況，單純靠擰緊兩端螺釘?shù)姆椒ú灰欢ㄗ嘈?。解決方法是設法鎖緊連軸器的彈性錐形套，若錐形套過松，可將錐形套軸向切開一條縫，擰緊兩端的螺釘后，就能徹底消除故障。綜上，連軸器直連便成為電機與滾珠絲桿最為常見的的連接方法。傳動形式的選擇由于選擇的傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重大影響。因此應選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕運動平穩(wěn)、傳動轉矩大的傳動部件。本設計 X、Y 工作臺的運動方式選擇絲杠螺母機構傳動形式。它主要用來將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動。絲杠

25、螺母機構有滑動摩擦機構和滾動摩擦機構之分。根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況起基本傳動形式有以下四種：螺母固定、絲杠轉動并移動優(yōu)點：結構簡單；可消除絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動可獲得叫高的 傳動精度缺點軸向尺寸不易太長剛性較差適用范圍：工作行程較小的場合。絲杠轉動、螺母移動 優(yōu)點：結構緊湊；剛性較好、軸向剛度高、運動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長；缺點：必須限制螺母的轉動需加導向裝置、不能自鎖，在用作升降傳動機構時需采取制動裝置，適用范圍：工作行程較大的場合。螺母轉動、絲杠移動 它需要限制螺母移動個絲杠轉動其結構復雜切占用軸向空間較大 故很少使用。絲杠固定、螺母轉動并移動 優(yōu)點：結構簡

26、單緊湊;缺點：使用不方便 一般也很少使用。綜上結合本設計的實際情況選用第二種。滾珠絲杠副的參數(shù)螺距t根據(jù)本設計的實際要求 選擇t=10。名義直徑 D0 按工作滾珠中心圓而定的直徑稱為名義直徑 D0，載能力有關，對于數(shù)控機床常用的進給絲杠，其名義直徑一般為 2080d0 d0是按軸承廠家制造的滾珠尺寸來選用，從承載能力而言，滾珠直徑盡可能選大一點。但螺距 t 確定后，滾珠直d0 d0d0=3jN 根據(jù)經(jīng)驗滾珠第一圈所受的軸向50%，30%，20%。因此，滾珠絲杠螺母副中j=2.53.5j3.5N，150滾珠絲杠副的組成及特點滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，它由絲桿、螺母、滾珠、反向器圖 2.1

27、 滾珠絲杠副構成原理2.1滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的逼和通路。滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比，除了上述優(yōu)點外，還具有周向剛度高、運動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長等優(yōu)點。滾珠絲杠副的典型結構類型螺紋滾道型面（法向）的形狀及主要尺寸我國生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型，見圖 2.2。滾道型面與滾珠接觸點，法線與絲杠軸向之垂線間的夾角 稱為接觸角，一般為 45 度。單圓弧型的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，如圖 2.2a，主要由 能力也隨之增大。由于單圓弧型滾道加工用砂輪成型較簡單，故容易得到較高的2

28、.2 螺紋滾道法向截面形狀加工精度。單圓弧型面的滾道圓弧半徑 R 稍大于滾珠半徑 r2.2 螺紋滾道法向截面形狀雙圓弧型的螺紋滾道的接觸角 在工作過程中基本保持不變。如圖 2.2b，兩圓弧相交處有一小空隙。可使?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能存儲一定的潤滑油以減小摩擦磨損。由于對加工取型面的砂輪進行修整和加工、檢驗均較困難，故加工成本較高。故本設計采用單圓弧型的螺紋滾道。滾珠的循環(huán)方式分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與四桿表面保持接觸；外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)反向時，離開絲桿螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或外做循環(huán)運動分三中形式。4.3 4.3 4.4- 18 - - PAGE 54 -4

29、.3外循環(huán)的滾珠絲杠4.4 外循環(huán)螺旋槽式圖44外循環(huán)螺旋槽式圖44外循環(huán)螺旋槽式圖4.4外循環(huán)螺旋槽式滾珠絲杠的支撐形式選擇（1）固定固定”型：K2=4適用于高轉速、高精度的場合。該形式兩端分別分別由一對軸承約束軸向和徑向自由度，負荷由兩組軸承副共同承擔。也可以使兩端的軸承副承受反（1）固定固定”型：K2=4適用于高轉速、高精度的場合。該形式兩端分別分別由一對軸承約束軸向和徑向自由度，負荷由兩組軸承副共同承擔。也可以使兩端的軸承副承受反向預拉伸力，從而提高傳動剛度。在定位要求很高的場合，甚至可以根據(jù)受力情況和絲杠熱變形趨勢精確設定目標行程補償量，進一步提高定位精度。“固定固定”型有時也被 片

30、面地叫做“雙推雙推”，由于此形式結構較復雜，調(diào)整較難，因此一般僅在定位要求很高時采用。（2）“固定游動”型：K2=2適用于中轉速、高精度的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個軸承約束徑向自由度，負荷由一對軸承副承擔，游動的 單個軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產(chǎn)生的應力?！肮潭ㄓ蝿印毙陀袝r也被片面地叫做“雙推支承”。此形式結構較簡單，效果良好，應用廣泛。（3）“支承支承”型：K2=1適用于中轉速，中精度的場合。該形式兩端分別設一個軸承，分別承受徑向力和單方向的軸向力，隨負荷方向的變化，分別由兩個軸承單獨承擔某一方向的力。由于支承點隨受力方向變化，定位可控性較低。此形式

31、結構簡單， 受力情況較差，應用較少。（4）“固定自由”型：K2=0.25適用于低轉速，中精度，軸向長度短的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負荷均由同一對軸承副承擔， 并且需克服絲杠回轉離心力造成的彎矩?！肮潭ㄗ杂伞毙陀袝r也被錯誤地叫做“雙推自由”。此形式結構簡單，受力情況差，但在行程小、轉速低時 也經(jīng)常用到。2.3 Z2.3 Z45Ff M的經(jīng)驗公式如下。（查1 第七篇公式(7.1-37)和(7.1-38)）F8C vvF ddF f fFfFN（1）MM 8CvvMddM ffM N m式中，CF 、CM v 、vM M速度系數(shù)；d鉆孔直徑，mm；d F

32、 、d M 鉆孔直徑系數(shù)；f進給量，mm；f F 、 f M 進給量系數(shù)。vdf17.1-31，CF =108.4，vF =0.129，dF =0.903fF =0.956, CM =57.4,vM =0.05，dM =1.812，fM （1）和（2）FM。FFf =9.81108.410200.36786NM 9.815.4100.5 21.2 0.30.8=47595Nm滾珠絲杠副的選擇計算（1）確定滾珠絲杠副的導程 PhP Phi（3）hP 滾珠絲杠副的計算導程，mm；h 脈沖當量，mm/step；Ph11.5Ph11.52.4Ph 5本導程=10計算導程Phh=2.4。（2）確定作用在

33、滾珠絲杠上的垂直進給牽引力（軸向力）F F fmf2M（4）式中，f鉆床主軸摩擦系數(shù)，f=0.050.1（查參考文獻42-3 進給牽引力的計算。將Ff 和M代入式（4）F =0.072 Nm（3）滾珠絲杠副的設計計算必須的額定動載荷ChnLCh3Fa1.67104mC （5）a 必須的額定動載荷，N；滾動絲杠轉速，r/min，n 100VS ；PhVS最大切削力下的進給速度，可取最高切削進給速度v的 m/min；見任務書。LLhh 預期工作時間（小時，查3表15-22 數(shù)控機床h 15000 h 。n=n 10=333.3r/min，nF代入式（5）310maC 3a333.3 150001.

34、67104 6786 45.311N查3表 15-24,FF 型滾珠絲杠副表中查到額定動負荷Ca =50 KN，即滾珠絲杠副型號為 FFZD3210-5，公稱直徑d0 =32mm，基本導程 Ph =10 mm。（4）滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算臨界載荷 2 EIFa N（6）1cr(l )21式中，E螺桿材料的彈性模量，E=2.06105 N/mm2 ；Ia 螺桿危險截面的軸慣性矩d 4I a 1 mm64 長度系數(shù)，查3表 15-7，按一端固定，一端鉸支， =0.7；d2 絲杠底徑，mm，d2 d0 Dw ；d0 滾珠絲杠公稱直徑，mm；Dw 鋼球直徑，mm；1l 滾珠絲杠的螺紋全長，mm，11l 工

35、作臺最大行程+ 螺母長度+兩個安全行程 工作臺最大行程14)，工作臺最大行程L見任務書；1其中Ia 3.14364 39740.6mF3.1422.061053.971044423.1100.7 1300Fcr則3.1104 4.6，按315-3 2.54，所以，滿足穩(wěn)定Fm6786性。（5）滾珠絲杠剛度驗算按最不利情況考慮，即在螺距（應為導程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為P24F P1 h m h mm（7）S2Gd42Ed 22式中， d0 tan( v )12導程角 arctan Ph ，滾動摩擦系數(shù)為 0.0030.004，則滾珠

36、絲杠的當量摩擦角d0一般為v =10 ；tan5tan5 tan54 0.97tantan( v （6）效率計算滾珠絲杠的傳動效率 S P =15/ m 。所以，滾珠絲杠剛度合格。 S P 按滾珠絲杠精度由315-83，Ph0.01S = 5.9.1427941042.852.14206152.852h 0.059mm 4 6786101611080100SP每米螺桿長度上的螺距的彈性變形小于允許變形N1T6786 16tan5.6810110805.8103.14 2。G=7.94104 N/mm（1）傳動慣量計算（1）傳動慣量計算因電機與滾珠絲杠直接相連，沒有齒輪傳動，則絲杠傳動時傳動系統(tǒng)

37、折算到電動機軸上的轉動慣量sIJ J J Jkgm2sI滾珠絲杠慣量 J0.77d41012kgm2s0 1工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上的轉動慣量JG( )2 kgm2 （10）I電動機轉動慣量 JM 很小可忽略。計算得：sJ 7734 1300102 0103 kgm2s102J 60 1.5 104 kg m2I23.14帶入到（9）中算的：J 1.0 103 1.5 104 1.1103 kg m2（2）所需轉動力矩計算快速空載啟動時所需力矩M 啟 Ma max M f M0N m最大切削負載時所需力矩M切 M at M f M 0 Mt快速進給時所需力矩M快 M f M 0N mMa m

38、 a Ma Jnmax 104Nmmax快速移動時的轉速，nmax 1000v r/min ；v 和啟Ph動加速時間 T 見任務書。Ma max1.15103 10009.625103 4.79 N mM fMf 折算到電機軸上的摩擦力矩， F0 Ph 103N m ； 導軌摩擦力0F f G，摩擦系數(shù)f 見2)f =0.120.13，估取傳動鏈總效率 =0.70.85。0M1010 3 N mf23.140.8M0 由于絲杠預緊所引起， 折算到電動機軸上的附加摩擦力矩，M 2103N m 0.90；00進給牽引力（軸向力）32)。M0 10 1 0.92 10 3 2.56 N m2 3.1

39、4 0.8M 104Mat 切削時折算到電動機軸上的加速度力矩，N m轉速nt 1000v r/min，切削速度v 見任務書。PhM at 1.151038509.6 25103 4.0 N mMt折算到電動機軸上的切削負載力矩，M 103N m鉆削進給分t2。Mt 1010 3 1.4 N m2 3.14 0.8（3）選擇步進電動機分別計算出M M 和M 選數(shù)值最大的力矩作為選擇步進電機的依據(jù)在上述3種工況下，以快速空載起動時所需力矩最大，M 啟 =2.504Nm。 所示。電機轉矩的瞬時過載系數(shù)運行相數(shù)33445566方式拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.809

40、0.9510.8660.866當步進電機以三相六拍工作時 0.866 ，需要的最大靜轉矩Mj M啟/ 2.504 2.89 Nm0.866查1110BF003 ，大于所需要的最大靜轉矩M j max 考核步進電機起動特性。計算步進電機空載起動頻率fmax 1000VmaxHzVmax 和 fmax 110BF003 型步進電機的空載起動頻率 1500Hz ，小于所需步進電機空載起動頻率 fmax，直接使用110BF003 型步進電機起動和停止時容易產(chǎn)生失步相象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)。2.4 電主軸選用、冷卻與潤滑電主軸的概述由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提

41、高工件的加由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加于是，具有高速加工能力的數(shù)控機床已成為市場新寵。目前，國內(nèi)外各著名機床制造商在高速數(shù)控機床中廣泛采用電主軸結構，特別是在復合加工機床、多軸聯(lián)其性能指標直接決定機床的水平，它是機床實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。如圖（2.1。圖 2.1 電主軸圖電主軸的工作原理電主軸就是直接將空心的電動機轉子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉子直接帶動主軸運轉。高速電主軸電機的繞組相位互差 120, 通以三相交流電后, 三相繞組各自形成一個正弦交變磁場, 磁場轉速就是電主軸的同步轉速。異步電動機

42、的同步轉速 n 由輸入電機定子繞組電流的頻率 f 和電機定子的極對數(shù) P 決定( n = 60f / P) 。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉速。改變電主軸輸入電流的相序, 便可改變電主軸的旋轉方向。電主軸的基本參數(shù)電主軸的基本參數(shù)和主要規(guī)格包括：套筒直徑、最 高轉速、輸出功率、計算轉速、計算轉速轉矩和刀具接口等。其中計算轉速又稱額定轉速，是指恒轉矩驅122AaPb算轉速時為恒轉矩驅動，大于計算轉速時為恒功率驅動。計算轉速轉矩為轉速小于和等于計算轉速的轉矩。一般電主軸型號中含有套簡直徑、最高轉速和輸出功3電主軸的發(fā)展趨勢隨著機床技術、高速切削技術的發(fā)展和實

43、際應用的需要，人們對機床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，電主軸技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：向高速大功率和低速大轉矩方向發(fā)展向高精度、高剛度方向發(fā)展向精確定向（準停）方向發(fā)展向快速起、停方向發(fā)展向超高速方向發(fā)展向快速起、停方向發(fā)展向超高速方向發(fā)展向標準化方向發(fā)展電主軸的潤滑技術高速電主軸必須采用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數(shù)控機床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。采用滾動軸承的電主軸的潤滑方式目前主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等方式。油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后把其輸送到需要潤滑的位置。油霧潤滑所需設備

44、簡單， 維修方便，價格比較便宜，是一種普遍使用的高速電主軸潤滑方式。但它有污染環(huán)境，油耗比較高等缺點。隨著人們對環(huán)保要求的提高，油霧潤滑方式必將逐漸被淘汰。油氣潤滑技術是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉所產(chǎn)生的部分熱量。實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準確地控制供油量多少，不利于主軸軸承轉速和壽命的提高。而新近發(fā)展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。實踐證明， 油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤滑方法，但其所需設備復

45、雜，成本高。由于油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。電主軸的熱源分析及其冷卻電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源：內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機在實現(xiàn)能量轉換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉條件下，有近 1/3 的電機發(fā)熱量由電機轉子產(chǎn)生，并且轉子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中；其余 2/3 的熱量產(chǎn)生于電機的定子。所以，

46、對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：適當減小滾珠的直徑徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而小摩擦，減少發(fā)熱量。采用新材料軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發(fā)熱量降低。采用合理的潤滑方式油氣和油霧等潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。還具有一定的冷卻作用。電主軸的選用對于已經(jīng)系列化供應市場的電主軸

47、生產(chǎn)廠家提供有詳細的外形尺寸、冷卻方式、潤滑方式及輸入輸出參數(shù),主軸的選用比較簡單,只需配套滿足功率、電流和使用要求的變頻電源和外用冷卻、潤滑設施即可。事實上電主軸的現(xiàn)有規(guī)格型號往往不能滿足用戶的需求,許多用戶希望依照自己的要求定做電主軸。初步了解一些主要參數(shù)對電主軸的影響,一方面可以使在定做電主軸時所提出的要求更具可行性另一方面也可以得到性價比較高的電主軸產(chǎn)品。在設計電主軸參數(shù)時，首先要給定一些基本的幾何條件，例如刀具連接型式（一般為 HSK ）和電機尺寸等?？招腻F柄的大小決定了滾動軸承的孔徑，電機的幾何尺寸限制了向下的支承距離并確定軸的外徑。為了能充分利用驅動電機的功率和轉速，設計時必須確

48、保高速旋轉的電主軸的最高運行轉速遠離主軸的一階固有頻率，并且要把所用的刀具一起考慮在內(nèi)，因為刀具影響系統(tǒng)的振動特性。電主軸的支承采用油氣潤滑的帶雙列陶瓷滾珠的精密主軸軸承，效果很好。電主軸要獲得好的性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進行精心設計和制造。電主軸的定子由具有高導磁率的優(yōu)質(zhì)矽鋼片迭壓而成，定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉子由轉子鐵芯、鼠籠和轉軸三部分組成。主軸箱的尺寸精度和位置精度也將直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在主軸箱上，為加裝電機定子， 必須至少開放一端。主軸高速旋轉時，任何小的不平衡質(zhì)量即可引起電主軸大的高頻振動。因此精密電主軸的動平衡精度要求達到 G1G0.4

49、級。對于這種等級的動平衡，采用常規(guī)的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡是遠遠不夠的，還需在裝配后進行整體的動平衡，甚至還要設計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸的在線動平衡。另外，在設計電主軸時，必須嚴格遵守結構對稱原則，鍵聯(lián)接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用，而普遍采用過盈聯(lián)接，并以此來實現(xiàn)轉矩的傳遞。過盈聯(lián)接與螺紋聯(lián)接或鍵聯(lián)接相比有：不會在主軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉應力，對主軸的旋轉精度沒有影響；主軸的動平衡易得到保證等優(yōu)點。轉子與轉軸之間的過盈聯(lián)接分為兩類，一類是通過套筒實現(xiàn)的，此結構便于維修拆卸；另一類是沒有套筒，轉子直接過盈聯(lián)接在轉軸上，此類聯(lián)接轉子裝配后不可拆卸。由于內(nèi)孔與轉軸配合

50、面之間有很大的過盈量，所以轉子與轉軸可以采用轉軸冷縮和轉子熱脹法裝配。帶有套筒的聯(lián)接拆卸時，需向轉子套筒上預留的油孔中高壓注油，迫使轉子的過盈套筒漲開，即可順利拆卸下電機的轉子。電機定子通過一個冷卻套固定裝在電主軸的箱體中。在前面的敘述中，已多處提到電主軸的選用問題。 實際上，選用電主軸最重要的是選定其最高轉速、額定 功率和轉矩及其與轉速的關系。根據(jù)切削規(guī)范計算所 需的轉速、轉矩和功率是每個設計師都勝任的工作。 這里只提出幾點注意事項： 以免造成性能冗余、資金 浪費、維護費事，以致后患無窮。根據(jù)實際可行的切削規(guī)范，對多個典型工件 的多個典型工序多做計算， 地估算。不要單純依靠樣本來選用，而應多

51、與供應商 的銷售服務專家深入交談， 在他們詳盡了解用戶需求后，他們會對其標準產(chǎn) 品略加修改，即可提出能滿足用戶一些特殊需求的最 佳方案。注意正確選擇軸承類型與潤滑方式。在滿足 需求條件下，應盡量選用陶瓷球混合軸承與永久性油 潤滑的組合，這樣可省去潤滑部件并簡化維護。數(shù)控系統(tǒng)電路設計繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖根據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖。數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件， 軟件才能有效地運行的。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。機床硬件電路有以下幾部分組成主控制器，即中央處理單元 CPU。目前在經(jīng)濟

52、型數(shù)控鉆床中推薦使用MCS-51總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。接口。/（輸入/輸出）接口電路。外圍設備。如鍵盤，顯示器及光電輸入機等。MCS-51MCS-51INTELMCS-48品，于 1980 年問世，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入/CPUMCS-51805187518751EPROM8051 10158051EPROM 是 INTEL80518031內(nèi)無ROMROM803180318片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路128RAM216464K具有四個/口,32/線16/計數(shù)器具有五個中斷源，配備兩個中斷優(yōu)先級具有一個全雙工串行接口具有位尋址能力、適

53、用于邏輯運算可以看出這種芯片集成度很高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。80311239338437536635734833RST/VPD RXD/3.0 TXD/3.1 IN/3.2 IN/3.3 WR/3.6 RD/3.7 XTA2 XTA1P1.093210311130121314151617181920P0.7EA/PP ALE/PROG PSEN圖 3.1 8031 芯片具有 40 根引腳，其引腳40 根引腳按其功能可以分為 4 類：電 源 線 2 根Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接Vss:地電平。2XTAL1:振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩時必

54、須接地。XTAL2: 振蕩器的反向放大器的輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入，當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。/P0P1P2P38/線，其功能如下：P0.0-P0.7：是/端口 0 的引腳，端口 0 是一個 8 位漏級開路的雙向/端口。在存88P1.0-1.7：18I/OP2.0-2.7：端口 2 的引腳。端口 2 是一個有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，在周期訪8P3.0-3.7：端口 3 的引腳。端口 3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，I/OI/OP1P3口第二功能如下示： 口引腳第二功P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0 （

55、外部中斷）P3.3 （外部中斷）P3.4T00P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（4）控制線RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）PSEN：從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)兩次有效。 是訪問程序存儲器控制信號，EACPU8031EAVPP8751EPROM+21VALE/PROG：ALE，PROGRST/VPD：RST存儲器擴展電路設計80318031128程序存儲器的擴展芯片的選擇及主要引腳介紹： (1) 2764 芯片7 6512345PGM NC 8 94 63 2 1 0 I/0 I/1 I/2 GND7891011121314圖 3.2OE

56、CE I/7 I/6 I/5 I/4 I/32764 芯片是常用的半導體 ROM 芯片，為 28 腳雙列直插式扁平封裝芯片。本次2764引腳功能如下：VPP：編程電壓端。PGM ：編程控制端。OE：輸出使能端。CE2764CE 74LS138 譯碼器的 和A0-A12：13位地址D0-D7：數(shù)據(jù)讀出27648K8+5V100MA，250ns。2764282764574LS3738031P088031 擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。通常地址鎖存器芯片是 74L3738D引腳功能：VCC：電源GND：地線G：8031ALFOE：使能端接地1234123474LS373567891817161514

57、13121110D6Q6D5Q5D4Q4D3Q3D2Q2D1Q1DOQ0LEOE圖3.3芯片的選擇及主要引腳介紹：本次設計選用6264數(shù)據(jù)存儲器62648K8CMOS5V200mW，200hs，28引腳功能如下：A0A12：地址線I/O0I/O7：雙向數(shù)據(jù)線1 2：寫允許線OE：被允許線譯碼電路設計對于容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并使各芯片之間地址不重疊，這就需譯碼電路進行譯碼編址。本次設計選用 74LS138 譯碼器。其引腳功能如下：2A、B、C選擇端 、A、G B：使能端2電源Y0 ：輸出端/接口擴展電路設計815580318/P1P3/815

58、5口電路。8155RAM/IOI/OA8I/OPA0-PA7。B：8I/OPB0-PB7。端C：6I/OPC0-PC5。命令88PC3140VCCPC4239PC2TIMERIN338PC1RESET437PC0PC5TIMEROUTIO/MOEWR10WR1031PB2ALE1130PB1AD01229PB0AD11328PA7AD21427PA6AD31526PA5AD41625PA4AD51724PA3AD61823PA2AD71922PA1GND2021PA0PB756785678981553635343332PB5PB4PB3圖 3.4計數(shù)器/計時器部分是一個 14 位二進制減法計數(shù)

59、器/計時器。其主要引腳及功能如下：AD0AD7：地址數(shù)據(jù)線PA0PA7：A口PB0PB7：B口PC0PC7：C口TIMER IN：定時輸入TIMER OUT：定時輸出IO/M ：IO/M ：端口選擇CE：片選ALE：地址鎖存RESET：復位RD： 讀WR： 寫Vss：接地Vcc電源8255可編程接器芯片8255Intel38I/OPA、PB、PCPC4（PC7-PC4）4 位 （PC3-PCI/O8255芯片可8031引腳功能：D0-D7：數(shù)據(jù)線A0、A1：地址線PA0-PA7：A口PB0-PB7：B口PC0-PC7：C口RD：讀：寫CE：片選RESET：復位CS ：芯片選中輸入端GND：地V

60、cc：電使用8255可實現(xiàn)以下幾項功能：并行輸入或輸出多位數(shù)據(jù)。實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)鎖存和輸出數(shù)據(jù)緩沖。提供多個通道接口聯(lián)絡控制信號。通過讀取狀態(tài)字可實現(xiàn)程序對外設的詢查。3.4.3 8255 的結構A、B、C它有三個輸出端口，每個端口都是 8 位，都可以選擇作為輸入或輸出；ABCPU8255A端口A和C（4B組控制電路控制端口B和C（PC3-PC0。數(shù)據(jù)總線緩沖器88255據(jù)、輸出指令及 CPUCPU讀/寫和控制邏輯它與CPU的地址總線中的A0A1及有關的控制信號相連，由它把控制CPU的控制命令或數(shù)據(jù)送至相應的端口；也由它控制把外設的狀態(tài)信息或輸入數(shù)據(jù)通過相應的端口送至CPU。8255芯片的PA0-